激光和射线检测特种部件的安全性分析方法

高正明，赵 娟

(荆楚理工学院 a.计算机工程学院; b.电子信息工程学院， 湖北 荆门 448000)

激光检测技术、射线检测技术(包括X、γ、中子、质子检测技术等)在地方企事业单位已经得到了广泛的应用，在实验室条件下也能应用于军用特种材料如放射性材料和高能炸药等，如国家表面物理与化学重点实验室徐钦英等报道了利用激光诱导击穿光谱技术快速定量分析铀材料中的杂质元素的工作[1]，中国工程物理研究院流体物理研究所程晋明等研究了X射线相衬成像法观测高能炸药内部缺陷的准静态扩展过程[2]，还有不少关于高能炸药药柱残余应力大小测量[3]、装药均匀性检测[4]以及锅炉尺寸检测[5]、裂纹检测[6]、星系导航定位[7]等的报道。但高强度的激光、射线辐照将严重影响物质性能参数甚至形态变化，如金属材料在高强度激光辐照作用下发生相变[8]、复合材料在紫外光辐照条件下表现出增容效应[9]、高分子材料受辐照后性能参数发生变化[10]、温度升高[11]等。此外，粒子还有可能破坏高能炸药分子的化学键，并在高能炸药部件内部形成能量沉积，加速高能炸药的热分解[12]。这些成果揭示了激光、射线的辐照对材料性能有着直接影响的事实。

激光、X和γ射线的基本粒子为光子。根据相对论，光子属于微观粒子，与物质原子核外电子发生光电效应、电子对效应和散射作用等，也可以与核内中子、质子发生核反应。由于光子束是由大量具有一定能量的光子组成，因此无论低频段的红外光、可见光和紫外光，还是高频段的X或γ射线，均与物质组成的微观粒子发生作用，不同程度地影响物质宏观性能。而中子、质子和物质原子核发生散射、激发和核反应，有一定的几率使原子物理特性发生明显改变，在需要充分保证部件质量性能参数稳定的军事应用场景中，更难以让人接受。因此，即使激光、射线检测技术已经在国内外工业领域得到普遍的应用，但是激光、射线检测技术的军事应用仍然较少，尤其是在军用放射性材料和高能炸药质量性能参数检测的应用，更是存在着广泛的安全性疑虑。

目前工程上常规的安全性评价方法主要是基于实验结果的量级评价法，即通过在某一很高量级射线辐照条件下材料性能才发生明显变化的实验事实，推导出低量级辐照条件对材料性能影响不大的结论。但是由于军用特种部件质量性能参数检测的长期性和持续性，量级评价法虽然可以给出可信的结论，但是并不能提供可以量化的结果，无法有效开展影响程度评估和安全性评价。为此，本研究结合“十二五”国防预先研究项目研究之机，在文献调研的基础上，基于核反应截面的物理意义和时间-温度迭加原理，论证了激光、射线检测技术应用于放射性材料和高能炸药的安全性[13,14]，提出了激光、射线检测技术在军用特种部件质量性能参数检测中的应用安全性分析方法。

1 基于核反应截面物理意义的安全性分析方法

粒子与放射性物质作用的几率用反应截面表征，其数值大小等于一个一定能量的粒子垂直入射到单位面积上仅一个靶核的靶发生核反应的机率，其单位是靶(b，10-24cm2)。因此，物质对不同能量的粒子的反应截面，表征着该物质与粒子的作用几率。若限定物质与粒子的反应几率低于某一给定指标α，如常用的工程应用数学指标0.1%、1%、5%等，就可以估算该指标对应的激光、射线检测物质时的强度限制。

对于激光、X或γ射线检测技术，反应几率可表征为光子与物质各反应道的总反应截面，若被检测对象为单一物质，则有

σt=σph+σcs+σis+σpp

(1)

式(1)中:σt为总反应截面数据；σph为光电反应截面；σcs为弹性散射截面；σis为非弹性散射截面；σpp为电子对产生截面。

若被检测对象为化合物或混合物，则有

(2)

式(2)中：mi为各元素成分i的质量分数；σt,i为各元素成分i的总反应截面数据。若设η为物质中一个原子核在光辐照时单位时间内发生的核反应机率，其与光源频率υ、照射到材料表面的光子强度即辐照强度P之间有如下关系：

η=Np·σt=P·σt/(h·υ)=P·σt·λ/(h·c)

(3)

式(3)中：有光子能量E=hυ=hc/λ；Np为粒子束辐照区平均粒子个数。

反之，若已知光子能量和强度，结合EPDL数据库[15]，可根据式(3)估计物质原子核反应几率，可据此估计激光、X或γ射线检测技术对军用特种部件的影响程度，评估其应用安全性。该方法同样适用于射线粒子为中子、质子等的检测技术应用安全性评估。

2 基于时间-温度迭回原理的安全性分析方法

激光、射线均为能量粒子，束流强度很高时，在物质辐照区域具有热效应。物质的温度表征物质微观粒子的运动情况，温度越高，运动速度越快，大部分化合物的稳定性就越差，这种现象对高能炸药材料来讲尤为明显。随着温度的升高，高能炸药的热分解加速，分解速率可采用布氏法、热重量分析法予以明确[16]。考虑到实际操作性，布氏法、热重量分解法等主要采用高温加速分解的方法开展研究。而考虑到炸药的安全性和热安定性[17]，高能炸药的贮存管理要求稳定的温度保障条件，长期贮存过程中炸药的热分解可通过时间-温度迭加原理与布氏法、热重量分析法的研究结果对应起来。

军用高能炸药需要长期贮存，炸药的温度边界较为稳定，但仍然存在热分解现象，此时，可采用时间-温度迭加原理，将长期贮存的热分解对应起来。

微观上讲，物质吸收辐照粒子的机率与物质原子核电荷量、质量、原胞体积和粒子能量等参数相关[8]，吸收表现为该物质与微观粒子的相互作用。当粒子束辐照到物质表面时，一部分粒子与物质发生相互作用，一部分未发生相互作用的粒子将穿透物质表面到达材料内部，粒子束的强度随着穿透距离的增加而逐渐降低，根据原子核物理学理论可知，粒子穿透距离为x的射线束的能量I与初始能量I0之间的关系

I=I0e-μmρx

(4)

式中：μm为质量吸收系数；ρ为密度。化合物或混合物总的质量吸收系数是各元素相应量的函数

(5)

根据热传递学知识，可估算射线束辐照区域附近的温度场分布。

研究表明，高能炸药的质量特性，如由于分解引起的质量减少、力学性能变化等遵循时间-温度迭加原理[18]，即粘弹性材料中温度上升的轻微影响与降低应变率的影响相近似，数学描述为：对于任一力学量，有

E(T,t)=E[T0,t/αt(T)]

(6)

式中：E为任意力学量；t为时间；T为温度；αt(T)为约化因子；t/αt(T)为约化时间。约化因子可以用Williams-Landel-Ferry(WLF)方程[19]表示

(7)

式中：C1、C2为物性常数；T0等于玻璃态转变温度Tg；可取为室内温度(293 K)。

若假定采用激光、射线检测高能炸药属性特征时，其物性变化折算到基准温度后不能超过某一指标β，即1/αt(T)≦1+β，则根据式(7)和质量减少量、拉伸模量、拉伸强度的约化因子计算可得高能炸药许可温升上限，进而建立射线束强度-温升-性能参数变化之间的关系，这样就可以通过限制高能炸药的性能参数如弹性模量、强度和质量的变化率，在已知对应约化因子的条件下，计算射线束强度限值。

反之，在已知相关参数的条件下，可通过以上计算得到激光、射线检测作业对高能炸药性能参数改变的加速作用，评估其影响程度，评价其应用安全性。

3 应用案例回顾分析与进一步研究建议

3.1 激光检测放射性材料的安全性分析

在军事应用中，一般要求放射性部件保持高度的结构稳定性，尤其是几何尺寸和外观，不能有较大变化。在军用放射性材料的贮存管理过程中，会定期对其尺寸、外观进行检测。采用激光扫描法、激光全息成像或结构光法均可替代传统的人工检测方式，实现放射性部件的自动化、智能化检测，减少人员辐照伤害，提高操作安全性。

文献[13]报道了根据式(3)计算不同激光强度下激光束中的光子与放射性材料间的相互作用几率的详细过程，如图1所示。在给定光子能量即激光频率的情况下，由图1可知，若激光束流强度不大于104W/m2，光子与放射性材料的作用几率不大于1‰。反之，对于mW级激光干涉仪，由于激光波纹宽度约1 mm，面功率小于103W/m2，激光与放射性材料的相互作用几率极低。

3.2 射线检测高能炸药的安全性分析

军用高能炸药部件的内部缺陷、密度大小、保护膜分布等都可以采用X、γ、中子射线成像法进行检测。粒子与高能炸药的相互作用几率也可以根据式(3)进行计算，还可以采用式(6)进行估算。文献[14]报道了不同强度的X、γ射线束能够在HMX基底中产生的最大温升，如图2所示。

取β=5%，即1/αt(T)≦1.05，则由式(7)和质量减少量、拉伸模量、拉伸强度的约化因子[18]计算可得高能炸药温升上限为0.608 0 K和0.122 4 K，取温升上限为0.1 K，则由图2可知，射线的强度限制量级为104W/m2，这一数值远大于常用的X射线、γ射线检测源的强度。

若已知激光或射线粒子束的功率强度，采用热传递计算得到辐照区域温升，进而根据式(6)和式(7)估算较长时间内该温升可能导致的材料性质的变化情况，则可以明确激光和射线检测对部件性能的影响程度。反之，在给定性能指标限制的条件下，如几何尺寸变化、质量、密度和杂质含量等，则可估算激光或射线检测技术应用的束流强度限值。

图1 不同激光强度下铀材料单个核子作用几率(由粗到细：P=104、103、102、101 W/m2)

图2 HMX高能炸药辐照区域最高温升-射线强度关系

3.3 工程化研究建议

基于核反应截面的物理含义或时间-温度迭加原理的方法，均可以估计不同激光或射线束强度对检测对象的影响程度。前者可评估粒子会不会与物质产生较大的相互作用，后者可直接估算粒子束的加温作用导致材料性能指标发生的变化大小，两种方法均可以用作激光、射线检测技术在军种特种部件中的应用安全性评估与分析，也可以拓展应用到这几种检测技术方法在一般部件中的应用安全性评估，还可以用于估算核辐射对材料性能的影响，研究材料相容性[12,20]。

该理论在实际工程应用时，还需要进一步开展研究工作解决以下问题：

1) 影响程度的量化问题

光子、质子和中子与物质相互作用的形式不同，对材料性能的影响也不同。一般地，光电效应、电子对效应、弹性势散射等不会对物质的物理性质产生较大的影响，核反应和热效应才是关注的重点。各反应道对应的反应截面数据是否同等重要，需要通过进一步的研究予以明确。

明确各种相互作用形式的影响方式后，可通过分子动力学计算方法，明确粒子与物质相互作用前后物质稳定状态力学、化学性能指标的变化[21-23]，如结构件的力学参数、含能材料的能量密度参数等变化情况，量化计算给定相互作用形式下影响程度。

2) WLF方程约化因子参数的补充

应用时间-温度迭加原理的前提是要有约化因子数据，这需要通过大量的实验数据统计得出。

3) 应用安全性分析软硬件平台的设计开发

完整的基于核反应截面的物理含义或时间-温度迭加原理的激光、射线检测技术应用安全性分析方法涉及原子核物理学、计算力学、计算材料学相关知识，需要蒙特卡洛、有限元和分子动力学计算方法的软件支持，数据处理量大，计算硬件环境要求较高。搭建一套完整高效可操作的、集原子核物理学、计算力学、计算材料学相关计算于一体的激光、射线检测技术应用安全性评估平台，实现激光和射线检测技术的应用安全性分析流程：“射线粒子参数计算(工程应用和核数据)-材料性能变化(计算材料学)-宏观影响分析(计算力学)”和涉及核辐射的材料相容性评估流程“宏观影响分析(计算力学)-许可材料性能变化(计算材料学)-射线粒子参数计算(工程应用和核数据)”的科学估算，需要有针对性地进行软、硬件设计与开发。

4 结论

在回顾“十二五”军队预先研究项目工作的基础上，总结了激光、射线检测技术应用于军用特种部件质量性能参数检测中光子、电子、质子、中子等微观粒子束对被检对象的影响，或估算物质在给定性能变化范围内的耐辐照强度限值。